Il rubrene è un semiconduttore organico modello, considerato tra i più promettenti nell’ambito dell'optoelettronica organica. Il rubrene permette infatti, con altissime efficienze, sia la fissione di eccitoni di singoletto (“singlet fission”) sia la fusione di eccitoni di tripletto (“triplet fusion”), che sono i due processi principali attraverso i quali è possibile migliorare l'efficienza di tutti i dispositivi fotovoltaici.
Tuttavia, per sfruttare efficacemente questo materiale e, in particolare il processo di singlet fission, è essenziale riuscire a crescere film sottili cristallini di rubrene e controllarne il grado di ordine e cristallinità, allo stesso tempo controllando la tendenza di questo materiale a degradare rapidamente per foto-ossidazione, fenomeno che colpisce la molecola di rubrene e film amorfi di rubrene.
Uno studio condotto da un gruppo di ricercatori guidati dalla Prof.ssa Adele Sassella e dal Dott. Alessandro Minotto insieme alla Dott.ssa Luisa Raimondo, ricercatori del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università degli Studi di Milano-Bicocca, illustra come si possano ottenere questi risultati tutti insieme.
Nello specifico, i ricercatori hanno ottenuto film sottili cristallini di rubrene, cresciuti su substrati di amminoacidi (β-alanina), con proprietà fisiche del tutto paragonabili a quelle dei cristalli singoli di rubrene, inclusa l’efficiente singlet fission. I film sono caratterizzati da una superficie piatta a livello molecolare su scala del cm, bassissima densità di difetti e domini coerentemente orientati di dimensioni laterali > 1 μm. La cristallinità di questi film, inoltre, li preserva dalla foto-ossidazione anche dopo l'esposizione all'aria.
Questo studio dimostra che il meccanismo alla base del risultato è una transizione spontanea da amorfo a cristallo che avviene a temperatura ambiente ed è guidata dall'epitassia organica tra rubrene e substrato. Attraverso la comprensione e il dettagliato studio della transizione amorfo-cristallo, gli autori propongono quindi una strategia efficace per ottimizzare la qualità dei film di rubrene agendo su specifici parametri di crescita.
I risultati ottenuti attraverso la scelta calcolata di crescere il rubrene su substrati come la β-alanina, che favoriscono l’epitassia e che nel contempo possono essere rimossi per il successivo trasferimento su altro substrato, aprono la strada all'integrazione di film cristallini di semiconduttori organici in dispositivi optoelettronici.
I risultati di questo studio sono riportati nell’articolo "Tailoring the optical properties of rubrene films through epitaxy-induced amorphous-to-crystal transition" (doi: 10.1039/D4TC01618A) pubblicato sulla rivista Journal of Materials Chemistry C (Royal Society of Chemistry, Impact Factor 5.7, 2023 Journal Citation Reports (Clarivate Analytics, 2024)).
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